余热电站汽轮机组振动值增大的原因及处理

余热电站汽轮机组振动值增大的原因及处理1 概述余热电站的一些汽轮机组各轴瓦振动值的增大以致超标，会严重影响安全运行。其结果会加剧机组工作性能的降低或使机组根本无法工作。机组的轴瓦或转子叶片等部件，因受附加的动载荷而加剧磨损、疲劳，甚至破裂，从而影响机组的运行寿命，或造成事故。汽轮机组在投入运行的几个月后，各轴瓦的振动值随着运行时间的延续而逐渐增大。早期阶段比较 34 个月前后的振动测量值才能看出变化，之后振动变化速度逐渐加快，但不论在早期、中期、晚期，在 1 2 天内振幅和相位基本是稳定的。部分运行参数，如汽缸的绝对膨胀，轴瓦温度，转子轴向位移等测点，显示的数值变化通常不明显。较为严重的机组，在振动值开始增大，其后的一两个月内，逐渐增大至接近在线振动测点的联锁保护设定值，只得停机检查处理。振动值发生上述变化时，首先应根据收集的运行参数变化，初步分析和判断出现异常振动的原因。其次，应结合运行参数的变化，在停机检修时，注意检查后汽缸等部位与厂房固定位置的相对参照点，测量并与原始安装数据比对。例如检查后汽缸托架与后导板接触面是否出现间隙等，判断汽缸是否出现位移。如果机组振动缺陷较严重，决定揭汽缸检修，还应检查汽缸内部通流部分部件的摩擦，转子弯曲变化和联轴器中心变化等。此外，还应结合这些轴瓦振动的型式进行分析判断。2 测量和检查2.1 检查汽缸或凝汽器结构数据的变化（1 ）后汽缸与后导板结合面检查在后汽缸与后导板的的结合面之间，用塞尺检查汽缸两侧的后导板是否存在局部间隙。此项检查应分别在机组运行和停运时进行，以便于分析比较。例如，对出现问题的某台机组测量，显示后汽缸右侧导板上的振动值大于对称转子布置的左侧导板。运行时用塞尺检查后汽缸托架与导板的结合面，发现后汽缸右侧托架与导板结合面之间出现大面积间隙，最大间隙约为 0.35mm，停机后检查最大间隙达到 0.70mm 以上，不接触面积占总接触面积的 50%以上。对左侧托架与导板的检查，发现也同样存在局部间隙，机组运行时约为 0.08mm，停机后约为 0.40mm，不接触面积占总接触面积的 25%以上。上述存在的间隙说明，后汽缸与固定基础位置的后导板之间出现了相对位移。显然，后汽缸托架与导板结合面间隙越大，相对位移就增大，振动值也随之增大。（2 ）机组安装原始结构数据的对照检查机组安装时应设有固定位置与汽缸某处标高的相对参照测点，发现轴瓦振动值开始增大时，可根据这些参照测点，定期测量并将各时期的记录比较，确认后汽缸等相对基础的位移变化，得到准确的结论。机组停机检修时，根据当前测量与原始安装的结构数据进行比对。主要测量内容包括，非落地式结构的 2 号轴瓦处转子轴颈的扬度，联轴器中心出现变化等。例如，对出现问题的某机组的检查发现，凝汽器四角的底座上，左侧和右侧的各四个弹簧高度变化较大，左侧比右侧的所有弹簧高度值大约降低 15mm。显然是凝汽器左侧的弹簧受循环水管道下沉等外力的影响，弹簧受到压缩，造成弹簧高度值变化。这也说明凝汽器设备的本身出现了位移。（3 ）前汽缸猫爪横销与垫块的结合面检查机组运行时，前汽缸单侧猫爪横销下的垫块，开始出现缓慢向外移出的现象，用手锤轻轻敲入垫块复位后，第二天或数小时内又再次向外移出。伴随这种现象出现的就是机组振动值逐渐增大。或者相反，某些对振动值增大出现较敏感的，如 2 号和 3 号瓦为非落地式轴承的机组，是随着振动值的逐渐增大，然后出现单侧猫爪横销下的垫块缓慢向外移出现象。这时应注意检查前汽缸猫爪横销与垫块结合面的间隙。例如，对出现问题的某机组，停机后用塞尺检查，右侧猫爪横销与垫块之间的结合面存在 0.15mm 间隙。上述检查到此间隙的存在，则应该是前汽缸与前轴承箱的支撑之间出现了相对位移。2.2 检查汽水管道等位置与固定结构的变化（1 ）循环水管道检查循环水管道的检查内容，即检查管道是否发生下沉。汽轮机组的四根循环水的进出水管道全部布置在凝汽器的一侧。在与凝汽器连接的每根垂直管道上，设计采用一件带有伸缩短节的蝶阀，即伸缩蝶阀。由伸缩蝶阀的结构因素决定，当循环水管道出现下沉时，首先反映的是，伸缩短节上两平行法兰的相对尺寸变化和漏水。这些反映可以作为判断循环水管道下沉的直接依据。例如，某余热机组在投运约 6 个月时即发生伸缩蝶阀漏水现象，割开伸缩蝶阀附近的四根垂直管道后，管道下沉高度约为 150mm。循环水管道沿垂直方向下沉情况见图 1。由图 1 可以看出，循环水管道的下沉，直接对管道连接凝汽器即后汽缸的一端施加下沉方向的外力。此余热机组的循环水管道布置在机组轴线的左侧，导致凝汽器左端支撑弹簧高度相应的压缩变形减小。循环水管道的下沉方式有所不同，例如，出现问题的某机组，凝汽器的循环水管道，在四件蝶阀伸缩短节的两平行法兰处，出现左侧向上的倾斜位移，只是两平行法兰因整圈连接螺栓的限位作用，才阻挡了位移的继续发展。四件伸缩短节两平行法兰的倾斜位移方向是一致的。测量检查伸缩短节两平行法兰的左右侧，即两平行法兰对称 180两点的距离差值，h2-h110mm20mm。循环水管道蝶阀伸缩短节法兰的倾斜变形，见图 2。由图 2 可以看出，循环水管道出现的是以某点为支撑，倾斜管道轴线的下沉。此倾斜变形，使得伸缩短节两平行法兰处安装时的预压缩余量尺寸完全被消耗后，还使凝汽器即排汽缸受到向上部方向的外力。此余热机组的循环水管道布置在机组轴线的右侧，蝶阀伸缩短节两平行法兰处左侧向上的倾斜变形，导致后汽缸右侧托架受到向上的外力。（2 ）主蒸汽管道检查除负荷低于 6MW 的机组采用一根主蒸汽管道外，余热汽轮机组的主蒸汽管道，一般是在电动隔离阀后，连接三通分两路向上的热压弯头，经对称轴线布置在机组两侧的垂直管道，连接两速关阀，然后汇入前汽缸的调节汽室。通过主蒸汽管道的弹簧支架或滑动支架的变形直接观察，特别是在出现问题的机组停机时，如弹簧支架，滑动支架的滑动面脱离管道，或在管道的弹簧支架处发现弹簧倾斜，变形等异常现象，说明主蒸汽管道的异常位移，应判断管道位移对前汽缸的影响。例如，某余热机组振动值增大速度较快，检查主蒸汽管道位移异常，在前汽缸猫爪横销与垫块的结合面检查，两侧猫爪横销都存在间隙。揭汽缸检修时，解开与速关阀连接的主蒸汽法兰，发现左侧连接法兰端面错口较严重，用拉管道进口法兰的方式取出连接螺栓，测量错口值为 30mm 以上。3 振动值增大的原因分析及处理3.1 原因分析（1 ）循环水管道下沉，造成凝汽器即后汽缸的位移如上所述，循环水垂直管道设置有伸缩蝶阀。蝶阀的伸缩短节可有限地部分轴向压缩，消除压缩方向的部分应力。因此，伸缩短节的主要作用，一是可有限地部分消除运行机组凝汽器设备本体对循环水管道向下的应力；二是便于安装和检修时更换蝶阀和连接的垫片。而伸缩蝶阀对拉伸方向的应力是没有补偿作用的。即伸缩短节不能消除如循环水管道自身下沉等异常现象的应力。当伸缩蝶阀发生漏水现象时，一般可确认为循环水管道的下沉。而在此前，凝汽器已经受到外力荷载。下沉位移值是逐渐增大的，这时已经形成设备的永久变形。投运约 6 个月的某余热机组（见图 1） ，左侧布置的循环水管道下沉拉动凝汽器左侧向下位移，凝汽器左侧比右侧的所有弹簧高度值大约降低 15mm，后汽缸左侧受到向下的荷载，导致右侧托架与导板结合面产生间隙。随着振动值逐渐增大，检查后汽缸托架与导板结合面的间隙也在逐渐增大，充分说明后汽缸位移的影响。同理，对循环水管道蝶阀伸缩短节倾斜的某台机组（见图 2） ，也可以很清晰地解释其后汽缸右侧托架受到向上的外力，与导板结合面出现间隙的现象。循环水管道下沉，造成后汽缸位移的同时，还会直接导致前汽缸猫爪横销与垫块的结合面出现间隙，多数机组后汽缸托架与导板结合面出现间隙和前汽缸猫爪横销与垫块的结合面出现间隙的现象是同时发生的。（2 ）主蒸汽管道异常，影响前汽缸膨胀，造成位移主蒸汽管道在某个热膨胀方向受阻等原因，使热应力增大。超过材质的屈服应力后，管道即开始变形，热应力同时会对前汽缸膨胀造成影响，当管道热应力足够大时，汽缸即开始变形。随着这种变形成为永久的变形时，就会与设备固定部件的相对位置发生改变，前汽缸猫爪横销与垫块的结合面出现间隙。主蒸汽管道异常应力造成的永久变形，使设备结合面出现间隙，直接导致动静部件间隙的相对运动，振动值即逐渐增大。（3 ）根据振动与时间的关系曲线判断机组振动特性从振动监测系统 DCS 中，将振动与时间的关系曲线（振动趋势曲线图）打印输出，利用趋势曲线诊断振动故障。虽然从 DCS 中调出的振动趋势曲线是通频振幅的变化趋势，但也能诊断出转子碰磨、轴瓦自激振动等过程。从运行经验得知，在运行中机组发生振动增大的原因只有两类振动。第一类是包括轴瓦自激振动的低频振动；第二类是转子产生了不平衡，转动部件飞脱、转轴碰磨等。根据振动理论，部件呈现的振幅与作用在该部件上的激振力成正比，与它的动刚度成反比，可用式（1）表示，即若忽略阻尼，即 =，即使静刚度很大，动刚度 Kd 也为 0。由式（1 ）可知，在很小激振力的作用下，轴承将会产生很大的振动，即共振。以下探讨的是，由于支撑动刚度降低，在激振力一定时，振幅值的增大问题。轴承座动刚度的检测除了与静刚度和共振放大因素有关外，还与动态下其连接刚度有关。现场经验表明，采用检测连接部件之间的差别振动，即两个相邻的连接部件振幅的差值，是检查连接刚度的有效方法。根据现场经验，对同一轴承座，同一轴向位置，测点标高在 100mm 以内的两个连接件，在连接紧固的情况下，垂直方向振动差值应2m，滑动面之间正常的振动差值应5m。实际测试证明，后汽缸的位移，导致汽缸托架与导板结合面产生间隙，即产生支撑动刚度降低，造成上述振动差值的增大。（4 ）轴瓦结构型式的不同，对问题机组的损害程度也不同水泥余热电站的汽轮机组，一般采用低参数单缸直联式汽轮机带动发电机，四个轴瓦结构。2 号和 3 号轴瓦的结构型式，又分为落地式轴瓦和非落地式轴瓦。通过数次分别对问题机组的检查和处理发现，两种不同结构型式的轴瓦，振动值的增大虽然接近，但对机组损害程度是不相同的。通过数次的机组检修消缺，发现汽缸内部通流部分发生动静摩擦并造成汽封等部件损坏的，一般都出现在 2 号和 3 号轴瓦（落地式结构）的机组。分析认为，由于 2 号和 3 号轴瓦为落地式结构，位于独立的轴承座内，即汽轮机转子前后端支点全部支承在基础上，处于固定位置，即转子不跟随汽缸的位移而位移，所以当机组出现因汽缸位移等原因导致振动值增大时，汽缸的位移会与固定位置的转子出现相对位置的改变，即在汽缸内部的动静部件处，局部间隙增大，或局部缩小至部件的部分接触，即发生动静摩擦。该结构出现问题的机组振动值增大至接近 0.07mm 时，停机揭缸检查，通流部分已发生较为严重的摩擦现象。2 号和 3 号轴瓦为非落地式结构的机组，汽轮机转子的后端支承在后汽缸上，即转子后端跟随后汽缸的位移而位移。汽轮机转子的前端虽然也同处于固定位置，但由于余热机组的汽缸位移，大多数为循环水管道下沉等造成的后汽缸位移，主蒸汽管道热应力造成前汽缸位移的事件较少，所以一般不会发生前汽缸单独的位移，导致汽缸内部通流间隙处的动静摩擦。如图 1 所述，对出现问题的该结构机组，经揭缸检查确认，尽管其振动值增大接近0.06mm，连续几个月维持运行，通流部分并没有发现动静部件摩擦现象，说明分析是正确的。2 号和 3 号轴瓦为非落地式结构的机组，振动值增大的典型表现是 3 号瓦振动值增大的速度比其它轴瓦要快。这是因为，该结构的机组，3 号瓦是薄弱处，即反映在 3 号瓦的振动值最敏感。2 号和 3 号轴瓦为非落地式结构的机组另一特点是， 2 号和 3 号轴瓦跟随后汽缸的位移而位移，直接导致汽轮机和发电机转子的中心发生变化。对该结构机组，在汽轮机中心检查时发现，联轴器一般会出现转子下沉导致的下张口，机组运行时即导致振动值的增大。3.2 问题的处理3.2.1 循环水管道下沉造成汽缸位移的处理由以上分析，对 2 号和 3 号轴瓦为落地式结构的机组，应安排尽快停机处理循环水管道的下沉。如果是不规则周期和不规则振幅增大的振动方式，说明已经出现汽缸内通流部分的动静部件摩擦，应立即停机和揭汽缸处理。对 2 号和 3 号轴瓦为非落地式结构的机组，如确认只是循环水管道下沉的原因，则可先消除管道下沉的应力，然后维持机组运行，同时应注意监测振动值变化趋势，待机组随水泥生产线检修时再停机处理。如图 1 所述，投运约 6 个月的某余热机组，当时对循环水管道出现下沉的处理方式是，割开伸缩蝶阀附近的四根垂直管道，每根管道焊接加长管。加长管段长度约为 150mm，说明这也是管道下沉的高度。处理后机组又连续运行约一年，振动值增大较慢。然后随水泥生产线共同检修，进行揭缸处理。主要处理内容有：（1 ）割开连接后汽缸与凝汽器的喉部排汽短节，凿开后汽缸两侧导板基础。（2 ）割开四根垂直的循环水管。（3 ）调整凝汽器弹簧。（4 ）调整后汽缸两侧导板的垫铁，消除导板间隙，必要时刮研处理。同时调整汽缸水平和前汽缸猫爪横销的间隙。调整后汽缸两侧导板的间隙时，同时应注意保证前轴承座与台板的滑动面之间不能出现间隙。3.2.2 主蒸汽管道膨胀异常的处理（1 ）割开错口严重的法兰端面下的弯头。（2 ）调整弹簧支吊架。4 几点想法和体会（1 ）循环水管道的安装，应考虑防止管道下沉的影响，一定要有防止管道沉降的措施。应重申管道敷设前，把管沟地面用三合土夯实，如遇较差的湿陷性土质，管道必须设